Διαχείριση Οικιακών Συσκευών με Χρήση Τεχνικών Βελτιστοποίησης και Θεωρίας Παιγνίων

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη του ελέγχου του οικιακού φορτίου με την διαχείριση οικιακών συσκευών και ειδικότερα του ψυγείου. Πιο αναλυτικά, περιγράφεται αρχικά η έννοια του ευφυούς δικτύου (smart grid) και οι τεχνολογίες της Πληροφορικής και των Τηλεπικοινωνιών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στα σύγχρονα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας. Επιπλέον, γίνεται αναφορά στη μορφή των σύγχρονων αγορών ενέργειας και στις πολιτικές που εφαρμόζονται για τον έλεγχο της ζήτησης και των οικιακών συσκευών σε οικιακό επίπεδο. Στη συνέχεια, περιγράφονται οι τρόποι με τους οποίους οι έξυπνες συσκευές μπορούν να συμβάλλουν στη βελτίωση και λειτουργία του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας με αναφορά σε υπάρχουσες έρευνες και τα αποτελέσματά τους αναφορικά με τον έλεγχο της κατανάλωσης οικιακών συσκευών, όπως είναι ο θερμοσίφωνας και το κλιματιστικό. Μετά την ανάλυση όλων των παραπάνω γίνεται εκτενής αναφορά στις αρχές λειτουργίας του ψυγείου και τους παράγοντες που επηρεάζουν την ενεργειακή του κατανάλωση. Μελετάται μέσω τριών περιπτώσεων η δυνατότητα ελέγχου του φορτίου του ψυγείου και το κέρδος που μπορεί να προκύψει από μια τέτοια διαδικασία. Στην πρώτη περίπτωση εξετάζεται από την πλευρά του καταναλωτή η δυνατότητα του ψυγείου να ανταποκρίνεται σε μεταβλητές τιμές ενέργειας, που αντανακλούν την οριακή τιμή του συστήματος, και να διαμορφώνει ανάλογα την ενεργειακή του κατανάλωση μεταβάλλοντας την εσωτερική του θερμοκρασία, εντός κάποιων συγκεκριμένων επιτρεπτών ορίων, ώστε να επιτευχθεί ελάχιστο κόστος για τον καταναλωτή. Υπολογίζεται, επίσης, το κόστος αυτής της καταναλισκόμενης ενέργειας για ένα έτος και συγκρίνεται με το κόστος που θα είχε η κατανάλωση της ενέργειας του ψυγείου αν αυτή δεν εξαρτώνταν από μεταβλητές τιμές, αλλά προέκυπτε από μια σταθερή μέση εσωτερική θερμοκρασία του ψυγείου. Στη δεύτερη περίπτωση εξετάζεται η δυνατότητα της μεταβολής της ενεργειακής κατανάλωσης του ψυγείου για την κάλυψη μεταβολών της αιολικής παραγωγής στο σύστημα της Κρήτης, με στόχο τη μεγιστοποίηση του κέρδους μιας ESCO που διαχειρίζεται ένα ή περισσότερα αιολικά πάρκα. Η κάλυψη αυτών των μεταβολών μελετάται μέσω της μεταβολής της εσωτερικής θερμοκρασίας του ψυγείου, εντός πάλι κάποιων συγκεκριμένων επιτρεπτών ορίων, και στη συνέχεια εξετάζεται και η παροχή εφεδρείας από το ψυγείο για την κάλυψη ενός συγκεκριμένου εύρους ισχύος. Στην τρίτη και τελευταία περίπτωση προσομοιώνεται ένα παιχνίδι της θεωρίας παιγνίων της κατηγορίας «ηγέτη-ακόλουθου». Ηγέτης είναι ο διαχειριστής του συστήματος DSO, ο οποίος έχει στόχο την ελαχιστοποίηση του μέσου μεταβλητού κόστους του συστήματος, και ακόλουθος μια ESCO, η οποία έχει στόχο τη μεγιστοποίηση του κέρδους της, το οποίο, όμως, εξαρτάται από το μέσο μεταβλητό κόστος. Το παιχνίδι αυτό προσομοιώθηκε για να εξεταστεί η δυνατότητα εφαρμογής του ελέγχου του φορτίου του ψυγείου και της παροχής εφεδρείας από αυτό στο πλαίσιο της αγοράς ενέργειας. Το μέσο μεταβλητό κόστος που υπολογίστηκε σε αυτό το μοντέλο συγκρίνεται, τέλος, με τη μέγιστη τιμή που μπορεί να προκύψει για αυτό, όπως και με την τιμή που θα προέκυπτε αν οι κινήσεις των δυο παικτών δε γίνονταν λαμβάνοντας υπόψιν ο ένας τις επιλογές του άλλου, αλλά στοχεύοντας μόνο στο δικό τους συμφέρον. Όλα τα μοντέλα υλοποιήθηκαν με τη βοήθεια του προγράμματος Matlab.

The purpose of this diploma thesis is to study the control of the household load by managing household appliances and especially the refrigerator. More specifically, the concept of the smart grid is initially described and then the Information Technology that can be used in modern power systems. In addition, reference is made in the form of the modern electricity markets and the policies that are applied in order to control demand and the household appliances in household level. The ways in which smart appliances can contribute to the improvement and operation of the power system are also described, with reference to existing researches and their results regarding the control of the consumption of household appliances, such as water-heaters and air condition systems. After analyzing all the above, a comprehensive reference is made to the principles of the refrigerator operation and the factors that affect its energy consumption. The ability to control the load of the refrigerator and the profit that may result from such a procedure is studied through three different cases. In the first case, the refrigerator’s ability to respond to variable energy prices, that reflect the system’s marginal price and to shape its energy consumption accordingly, are examined from the perspective of the consumer, in order to achieve a minimal cost for him. The energy consumption is determined by the refrigerator’s internal temperature, being within certain limits. The cost of this energy is also calculated for one year and is compared to the cost of the energy consumption that would emerge in case the energy was not dependent on variable prices but it referred to a constant average internal temperature of the refrigerator. In the second case, the ability to change the energy consumption of a refrigerator in order to cover any changes in wind energy production of the system of Crete, is examined. The aim of this case is to maximize the profit of an ESCO that manages one or more wind farms. The coverage of these changes is studied once again by changing the internal temperature of the refrigerator and then another subcase is examined, where the refrigerator can provide energy backup in order to cover a specified range of power. In the third and last case a game of game theory is simulated of the category “leader-follower”. The DSO is the leader that aims to minimize the mean variable cost of the system and the ESCO is the follower that aims to maximize its profit, which is dependent on the mean variable cost. This game is simulated to examine if the load control of the refrigerator and its ability to provide energy backup is applicable to the context of the energy market. The mean variable cost that is calculated is compared to the maximum value that it could have and to the value that it would have in case both players’ moves were not made while taking into account each other’s choices but only by aiming at their own interest. All models were implemented using the program Matlab.